探索進取！ 用於電子元件熱管理的柔性導熱相變材料的研究取得新進展

熱管理的新選擇與新挑戰

如今，隨著電子設備小型化和整合化的蓬勃發展，用於高階運算的微處理器的功率密度急劇增加。 電子設備產生的大量熱量積聚在設備內部，例如積體電路。 過熱導致的溫度升高會限制電子設備的運作適應性，導致頻繁故障甚至自燃。 因此，開發提高散熱效率的熱管理材料具有重要意義。

相變材料（PCM）作為一種高效的熱管理材料，PCM可以吸收和釋放熱量，提供適度的溫度控制和熱緩衝。 然而，PCM存在一些固有缺陷，如液體洩漏和導熱係數低，限制了其應用。 為了改善這些問題，研究人員引入了導熱支撐支架，如銀奈米顆粒、石墨烯奈米片和碳奈米管。 然而，大多數導熱支撐支架比較剛性，容易導致脆性和易碎性。 因此，在柔性PCM的研究中，靈活性和導熱性仍然是一個挑戰。

氮化硼具有優異的導熱性和絕緣性，這使其成為電子系統非常有前途的候選人。 考慮到傳熱的最短路徑垂直於電子元件和散熱器的平坦表面，因此當柔性相變材料（PCM）用作熱界面材料（TIM）時，增強其穿過平面的導熱率非常重要。

高效率晶片熱管理解決方案

近期，研究人员采用外部机械应力的方法，通过施加压力来提高柔性PCM的平面导热率。在这项研究中，研究人员提出了一种配对策略，结合刮削、热压缩和滚切的方法，制造了聚二甲基硅氧烷/石蜡/氮化硼（PDMS/PW/BN）复合材料。所得的材料呈现出树环结构，石蜡被交联的聚二甲基硅氧烷/氮化硼网络紧密包裹。通过这种方法，材料的贯穿面热导率显著提高。

在这项研究中，王勇和祁晓东团队开发了一种高性能 PDMS/BN/PW PCM，用于芯片的高级热管理。 PCM是通过利用垂直取向的BN纳米片阵列和仿树环结构来封装PCM而构建的。 一方面，BN组装的垂直排列通道可以有效降低界面处的热阻，有利于TIM在穿平面方向上的高效导热。

以上内容通过《Chemical Engineering Journal》获得。本次研究成果以“Tree-ring structured phase change materials with high through-plane thermal conductivity and flexibility for advanced thermal management”为题发表其中。

團隊研發圖文導讀

1.PDMS/PW/BN PCMs的製備製程示意圖

2.PCMs的微觀結構以及樹木年輪結構對比

3.複合材料在加熱過程中的DSC曲線

4.(a) M40W60Bx複合材料在2 N恆壓下加熱過程中的尺寸保留率;(b)顯示M40W60Bx在加熱和壓製過程中的封裝效果的數位照片

5.複合材料的熱管理性能

6.複合材料的導熱係數以及結構與形貌示意圖

7.複合材料的熱管理性能測試

8.複合材料的有限元素模擬示意圖

透過化學合成或物理封裝，可以使相變材料獲得柔韌性，並與其他材料整合以實現特定應用需求。 未來期望柔性PCM能夠得到更多的研究和開發，以提高其導熱性能和實際應用價值。 透過持續的創新和研發，可以進一步推動柔性PCM技術的發展，為熱管理領域帶來更多的創新解決方案，並為永續發展的目標做出貢獻。

來源：熱設計